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        5G的7大用途,你知道幾個?

        2019-12-07

        摩爾定律相信大家可能都會比較熟悉,但是通信領域的香農定理就沒那么普及了。記得在研究生的一門課程《信息論》中嚴格推導過這個公式,這個定理的公式指明了與通信速率相關的要素,極限值在哪里。

        • 在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數據信號時,信道容量Rmax與信道帶寬W,信噪比S/N關系為:Rmax=W*log2(1+S/N)。注意這里的log2是以2為底的對數。

        • 上面的公式簡單來說,就是如果想要提升信道容量,可以通過增大帶寬,或者提升信噪比的方式。增大帶寬比較容易理解,但是頻譜資源本身有限,不可能無限分配。即使可以無限分配,還有一個關鍵因子信噪比也會限制。提升信噪比,可以有很多種方法,可以通過增大發射功率來搞定,但國家對于基站發射功率是有嚴格限制的,不能無限制的增加,就算可以,對于器件等也有很高的要求,高頻的放大不是一件簡單的事,另外可以通過改善信源編碼、信道編碼來改善。

        5G的7大用途,你知道幾個?

        關于5G的一些相關技術,整理了一張腦圖,希望能讓大家更系統性的了解5G技術。大家可以對照著來看,如果本文講的不是很清楚的地方,可以根據關鍵詞自己網上搜索一下。5G的關鍵技術比較多,因此將這些技術與三大場景相結合著來看,每項技術都是為了去解一些實際場景中的問題發展出來的,可能會更便于理解。

        5G的7大用途,你知道幾個?

        1. 5G的標準化

        1.1 KPI

        ★ 峰值速率達到20Gbps

        沒有規定用多大帶寬,可以使用32載波聚合來滿足,這個速率是基站的峰值速率,并非單個用戶的速率,這個速率是屬于一個基站覆蓋范圍內的用戶共享的。

        ★ 用戶體驗數據率(城區)達到100Mbps

        標準中還有針對更細分區域的用戶體驗速率的要求描述,比如在我們比較關心的演唱會高密集人員區域的速率要求,5G里面關于Broadband access in a crowd的描述是,整體用戶密度是50萬/km2,活動因子是30%時,需滿足用戶體驗速率下行25Mbps,上行50Mbps,區域容量下行[3,75]Tbps/km2,上行速率[7,5]Tbps/km2。

        ★ 頻譜效率比IMT-A提升3~5倍

        1)IMT-A 是國際電信聯盟(ITU)制定的4G移動通信標準規范。4G的頻譜效率可以這么來看,4G的愿景是在20MHz上實現100Mbps的速率,所以4G的頻譜效率一般可以認為是5bps/Hz。

        2)按照KPI,5G里面頻譜效率提升還是很明顯的,而且頻譜效率提升來指導技術的提升會更直接,因為根據香農公式,提升速率可以使用增加帶寬,而這在很多時候是很容易做的,但問題是頻譜是稀缺資源,只能在一定程度上增加供給。按照這個3~5倍于4G的頻譜效率,5G在100MHz上理論上應該提供1.5Gbps~2.5Gbps的速率。去年5月9日貴州聯通首個5G基站開通,在外場環境下,100MHz寬帶下單臺終端測試的5G網絡峰值下行速率達到了1.8Gbps。

        ★ 移動性達500公里/時

        這個問題在4G時代其實解得不太好,在高鐵上網絡時斷時續。500km/h的速率會產生比較嚴重的多普勒效應,對于幀格式處理等都會有一些挑戰。另外極快的速度可能會產生頻繁的越區切換,這對數據鏈路的穩定性也提出了一些挑戰。

        ★ 時延達到1毫秒

        TDD可能不滿足。

        ★ 連接密度每平方公里達到100萬個

        物聯網遍地開花,這個指標確實看起來很給力,但事實上5G里物聯網標準mMTC是推進的相對緩慢的,原因可能是爆發性的產品還沒有出現,目前的NB-IoT還沒有達到飽和,推動的動力不足,雖然大家都認可物聯網的重要意義,但可能還需要耐心的等待一段時間。

        ★能效比 IMT-A 提升100倍

        基站越建越多,運營商電費也越花越多,降低能耗,綠色環保。

        ★ 流量密度每平方米達到1Mbps。

        需要更多帶寬和其他新技術共同滿足。

        5G的7大用途,你知道幾個?

        1.2 標準化

        負責標準化制定的是3gpp組織,有關標準化進程,可以去官網了解。5G NR物理層協議,如果想了解協議細節技術,可以下載協議文檔查看。

        3GPP TS 38.201V15.0.0 (2017-12)中概述了NR物理層協議的主要內容。物理層包含一個概述文檔TS 38.201,六個協議文檔:TS 38.202、TS38.211、TS38.212、TS38.213、TS38.214和TS38.215。

        5G的7大用途,你知道幾個?

        2. 理性看待5G速率提升

        各種速率吹得天花亂墜的,一會20Gbps,一會4.6Gbps,一會6.5Gbps,為什么會差別那么大,那些4.6Gbps的一定就比6.5Gbps的差嗎?

        1)5G峰值下載速率6GHz以下200MHz 4.6Gbps。這個6GHz是指的載波頻率在6GHz一下,200MHz指的是帶寬,載波頻率和帶寬概念搞不清楚的同學可以自行百度。4.6Gbps是峰值速率,按照5G的KPI,頻譜利用效率需要為4G的3~5倍,4G是多少?4G頻譜效率是5(即20MHz帶寬實現100Mbps的峰值速率),那么按照5G的KPI我們來計算一下200MHz帶寬應該要達到多少才達標,簡單的公式計算,達標的速率應該是3Gbps~5Gbps 。

        2)毫米波800MHz 6.5Gbps(4G LTE可體驗速率的10倍)。毫米波指的是頻段,國際主流的是28GHz,這個指的是載波頻率。800MHz指的是帶寬,高頻段就是好啊,資源相當豐富,動輒都800MHz帶寬了。這個實際算下來這個的頻譜效率只是4G的1.625倍,這個可能主要是由于帶寬較寬,所以使用的OFDM子載波帶寬也較寬,子載波間隔增大后頻譜效率就降下來了。但這個速率仍然很給力了。

        值得注意的是這些速率都是峰值速率,是在一個基站下的你我他共享的資源,所以你的實際體驗速率并不會那么快,基站側會有調度算法來保證公平,但5G里面可能不會有絕對的公平了,付費的企業用戶可能會獲得更多的資源調度,不再是一鍋端了。另外要注意的通信里的速率都是bit,而非byte,是有8倍的差距的,包括你家里裝寬帶時也是bps,而非Bps。

        總結來說,就是大家記住5G的頻譜效率KPI,然后加上帶寬就能知道峰值速率是多少了,而這個峰值速率只能說明你的總容量大小,和個人感知速率是不一樣的,但是會明確瓶頸在哪里。不說多大帶寬下實現多少速率的都是耍流氓。PS:載波頻率和帶寬是兩碼事,峰值速率和帶寬和頻譜效率有關,和載波頻率無關。就和一趟火車一樣,決定裝載量大小的是車廂的多少,而不是速度。

        3. 業務結合點

        3.1 VR/AR技術的發展

        伴隨著AR和VR市場規模的不斷擴大,視頻流也勢必會呈現顯著的增長,而類似于 6DoF 的下一代內容格式會對網絡提出更高的要求,個人數據速率的需求上限也會從 200Mbps 跳到 1Gbps,這些都會需要更多的帶寬來支持。做AR和VR的很多公司已經開始摩拳擦掌了,準備好好把握住這一先機,大家對于5G顯得熱情高漲,都想盡早的拿到那張門票、打造爆款、占領市場。5G是一種通信技術,本身解決的是傳輸的問題,本身VR和AR需要解決的很多體驗問題、內容源問題、資源問題等都仍需要產業繼續解決,當然誰解決的最好,與5G配合得最好,消費者肯買單就會占領市場先機。

        順著前面的我們再來算算帶寬,以目前聯通/電信運營商被分配到的100MHz帶寬為例,按照5G要求,最高能提供2500Mbps的帶寬,如果按照流暢的VR需要50Mbps來算的話,最多就能同時承受50個人同時使用,當然這個是理論值,加上一些信令相關的開銷,可能無法達到這個值,這個離演唱會現場每人可以實時多角度的看演出還是有很大距離,當然這只是網絡初期,后期還會分配更多毫米波頻段的資源,同時對于非互動式的可以使用廣播的形式來緩解。

        5G的7大用途,你知道幾個?

        其實AR和VR并不完全一樣,所面臨場景解決的問題也不一樣,這里并未做區分。而這個產品未來的形態,到底是google glass那種還是投影那種,抑或是一種更先進的交互方式其實還有待繼續觀察,期待看到更加牛的解決方案。

        曾經參加一個5G的交流會的時候,大家談到全息投影在5G里的應用,讓一個已故的歌手能重新站在舞臺上繼續為大家獻唱確實是一件很酷的事情,事實上目前在小范圍的特定的IP上已經實現了,但這個的推廣發展目前還是受限于內容,內容是需要花時間精力去精心創作的,創作的過程往往是更花時間的。

        而實際設備可以通過各種租賃得到,反而是更容易搞定的事情,但是今天來看那種舞臺幕布搭建的方式打造的立體感想要規?;脑诂F實中應用,仍然是不小的挑戰,我們可以期待以后有更好的交互方式,就像科幻片里那樣直接在空氣中、穿衣鏡等上面進行交互。今天全息投影更多需要解決的是本身投影技術、內容創作等方面的問題,傳輸只是其中的一部分,換句話說,今天不用5G還可以用光纖,如果問題解決到只是那一根光纖影響體驗了,那直接上5G打造一個完美的體驗就好了,但今天還需要解決的更多是場景本身所在領域的事情。

        當然傳輸鏈路的提升,也會帶來很多的好處,比如說可以大帶寬低延遲的傳輸,那么很多的計算、渲染都可以在云端完成,云端的機器可以很快速方便的擴容,甚至是不惜成本的擴容。通過這種云端渲染的方式來打造更加完美的用戶體驗也是一個研究方向,云端渲染的另一個好處可以讓多個孤立的場景組合起來,形成一個更有意思的虛擬世界,就像我們在打的聯機游戲一樣,VR不僅僅需要帶寬,良好的體驗對于延遲也會更加敏感。因此針對VR的網絡切片,可能會處于大帶寬和低時延兩者之間的一個折中網絡切片。

        3.2 網絡切片技術的應用

        網絡切片作為5G里非常重要的一項技術,廣受運營商喜愛。因為通過這項技術可以對數據包進行分級,可以建立服務等級,實現差異化的服務。大白話就是,有錢的可以提供好的服務,保證帶寬保證延遲,沒錢的就往后放放。在之前的4G標準中也有定義差異化服務QoS,但是原有的差異化服務只是針對接入網的,也就是說只針對了手機到基站這一段做了差異化服務,原來做差異化服務也是來源于需求,當基站在分配上網用戶資源和語音電話用戶資源時,肯定是不一樣的,會優先保障語音用戶。在4G時代,運營商是使用qci來進行服務分級的,但是這個粒度比較粗,3gpp一共規定來9個等級,4個GBR(Guranteed Bit Rate) ,5個Non-GBR。

        網絡切片可分為核心網中的網絡切片和接入網中的網絡切片,核心網中的網絡切片與虛擬化技術息相關。NFV(network function virtualization,網絡功能虛擬化)與SDN(software defined networking,軟件定義網絡)作為實現核心網中的網絡切片的主要技術支撐,受到了廣泛的關注和研究。接入網中的網絡切片實現更具有挑戰性。除了用于不同的商業模型之外,針對業務的指標需求不同,網絡切片和接入網絡還需同時提供低時延、大連接、高可靠等性能指標,并保證網絡切片之間的隔離。

        阿里集團正在探索網絡切片相關的應用,在4G時代其實沒有完整的網絡切片方案,3GPP協議定義了QCI(QoS等級標識),不同QCI承諾了不同的數據包延遲、誤包率等,運營商通過QCI提供面向用戶與業務等差異化服務。3GPP定義的QCI=3的用戶的典型場景是Real Time Gaming(實時游戲),一般普通用戶的數據業務是在QCI=6上進行承載。如果下圖所示,為某次壓力測試中,QCI=3的保障用戶在數據包平均時延和抖動方面明顯優于QCI=6普通用戶,在帶寬資源緊張時,QCI=6的用戶無法搶占足夠多的帶寬資源完成業務,而QCI=3的用戶可以保持穩定的800kbps的穩定速率。4G時代的"切片"僅僅是接入網的一個較粗的QoS等級劃分,5G的切片將是更完整的端到端的解決方案。

        在5G將會有各種不同場景的網絡切片,有針對車聯網的切片、有針對VR的切片、有針對物聯網設備的切片等等,而網絡切片的粒度也會更細,后續可能會出現不同的服務質量需要付不同的費用。5G時代變成了運營商B端收費或者B端C端兩邊收費,這一塊的業務落地我們還會持續關注,也歡迎集團內有相關資源或技術的團隊能給我們提供幫助。

        如果說4G時代運營商建了全國的公路,那么5G時代運營商既建設了公路也建設了高速公路,如果想要更好的服務,可以掏錢走高速公路。

        3.3 移動邊緣計算(MEC)

        在不考慮重傳的情況下,LTE網絡內部時延是小于20ms,而要ping外部服務器,這個時延通常在40-50ms以上,光纖的傳播速度是200公里,5G在應對時延敏感用例時,要求接入網時延不超過0.5ms,這意味著5G中心機房(或數據中心)與5G小區(基站)之間的物理距離不能超過50公里。面對物理時延的挑戰,我們不得不考慮在接入網引入移動邊緣計算(MEC)、邊緣數據中心,也就是將以前核心網和應用網的一些功能下沉到接入網。

        邊緣計算由于部署在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側,具有融合的網絡、計算、存儲和應用核心能力。利用邊緣計算提供的計算能力和服務,能夠滿足低時延、海量連接業務需求和數據的聚合優化需求等,緩解核心網和回程鏈路的負載壓力。因此,邊緣計算和網絡切片的結合變得尤為有意義。

        在網絡傳輸延遲或數據安全等角度考慮,很多的領域無法直接將數據傳送至云端處理,因此邊緣計算是一個大趨勢,大家經常舉例的自動駕駛就是一個例子,為了保證實時性和可靠性,圖像處理需要在邊緣端完成。除了這種意義上的移動邊緣計算之外,其實運營商期望的移動邊緣計算應該是在更靠近接入網的部分部署算力,支持邊緣計算,后續可能應用可以直接部署于基站內的云設備內,這樣對一些延遲極度敏感的應用將是一個好消息。

        3.4 物聯網應用

        目前物聯網逐漸火熱起來,mMTC也是物聯網三大場景之一,承擔了未來智能世界里的重要想象空間。但是目前的mMTC仍然有一些亟待解決的問題,我們可以看到5G KPI里是要求能支持每平方公里100萬個連接,這其實是一個非常讓人興奮的數字,但是這個會有點容易讓人誤解,100萬個連接并不是同時收發數據,只是連接,連接有可能是時斷時續的,有可能是一天只發送一個數據包的監控節點??梢钥吹侥壳皯帽容^廣泛的還是電力超表類應用,因為這類數據基本都只是在上報,而且頻次要求不高,實時性要求也不高。但是對于很多的應用場景來說,實時/準實時的雙向通信是很大的需求。

        NB-IoT超強的數據連接并不是真正的實時連接。NB-IoT的小區容量很大大,NB-IoT終端入網成功后,核心網和IoT平臺會一直保存用戶會話狀態,終端在PSM,eDRX休眠情況下,網絡側維持IP會話。但這其實是以終端睡眠來達到的容量提高,并非特別大的技術提升。NB網絡使用15Khz終端接入, 180Khz帶寬,“并發用戶數”理論為12個,如果在同一個時刻有多臺設備進行入網,一方面會導致底噪升高,設備入網困難,另一方面,超出的設備需要排隊入網。因此更加適合的是一些低速率、低時延要求的場景。

        大麥目前已經將NB-IoT應用到實際產品中了,由于NB-IoT使用的是CoAP協議,而CoAP協議底層使用的是UDP,不可靠的,因此我們上層做了應用層的ACK應答機制來保證數據可靠到達。

        由于我們的場景對功耗不敏感,但是期望數據能盡快到達,所以我們與運營商溝通后關閉了PSM和eDRX,以便讓數據盡快到達,但是對于一些監測類的場景對于功耗是敏感的,因此就會通過睡眠等方式來盡可能的保存體力。這對于純上行監測類應用來說還好,但是如果想要準實時下發可就難了,因此也會限制一些場景的想象空間,在低功耗方面仍然有很長的路要走。

        NB對于場景的覆蓋也還有待加強,對于一些樓宇里的空調,目前覆蓋應該是夠的,但是水表等表類產品,安裝的環境很封閉,或者說無線網絡很難滲透過去,這樣就導致了很多安裝在現場的水表(窨井下,樓梯間)無法上傳數據,讓水表廠家和NB-IoT技術滿臉的尷尬。

        未來5G的mMTC場景還會基于NB-IoT、eMTC技術繼續演進,期待未來能更好的解決目前存在的一些問題。

        3.5 D2D的應用

        D2D其實是一項挺有意思的技術,讓設備和設備之間能直接通信。當然不是完全的自主通信,是在基站控制下完成數據通信,基站主要負責控制信令,設備間直接進行通信。這可能會催生一些基于鄰近特性的社交應用場景。其中車聯網中的V2V(Vehicle-to-Vehicle)通信就是典型的物聯網增強的D2D通信應用場景?;诮K端直通的D2D由于在通信時延、鄰近發現等方面的特性,使得其應用于車聯網車輛安全領域具有先天優勢。在D2D通信模式下,兩個鄰近的移動終端之間仍然能夠建立無線通信,為災難救援提供保障。

        家庭應用中的投屏場景是一個很好的D2D場景,但是目前基本都是WiFi-Direct的天下,如果D2D想要應用進來,還需要與這個強大的對手進行競爭。

        3.6 CDN

        4G時代,CDN基本部署在CR(核心路由器)、SR(業務路由器)附近,部署位置偏上。同時,節點部署稀疏,平均每個節點覆蓋方圓10公里。5G時代,在架構上,CDN應從CR、SR端向用戶端遷移。同時在節點部署上,向小型化、高密化發展,原來每節點覆蓋方圓10公里,現在需縮小到1公里甚至更小。網絡切片中的NFV和SDN技術也將應用到CDN中,NFV實現網絡資源共享,擴展靈活,CDN NFV實現硬件和軟件解耦。SDN讓調度和路由控制更靈活,網絡感知能力和集中控制與能力的開放,提供靈活調度和最優化的路由能力。

        3.7 產業互聯網

        借用集團陳威如專家演講中的一些觀點,未來十年,是從消費互聯化到產業互聯化的全面協同升級。未來,產業互聯網有兩個發展方向,第一,在你所處的產業環節進行線上線下融合。如果你是做零售的,你就要把線上、線下銷售場景,用數字化、可視化的方式重構、融合起來;如果你是做供應鏈的,也要先做數字化,進行線上、線下融合,達到線上線下一盤貨。第二,做全鏈路環節的數字化相連。當你把全鏈路串起來以后,就會對生態圈、消費者、企業商業模式產生一個極大的變革。因此5G可能會依托于物聯網技術帶來全鏈路的數字化,進而助力產業互聯網。